CN103642996A - 一种合金钢锻件的制造方法和热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种合金钢锻件的热处理方法和制造方法，所述热处理方法包括以下步骤：(a)淬火：将所述锻件加热、保温，然后将所述锻件先放入水中冷却，再放入油中继续冷却；(b)回火：将所述锻件加热、保温，然后将所述锻件在空气中冷却。所述制造方法包括对钢锭进行锻造处理，得到锻造后的锻件，以及利用前述热处理方法对所述锻件进行热处理，其中所述锻造处理包括以下步骤：(a)对所述钢锭进行压把、倒棱和错底处理；(b)对所述钢锭进行镦粗、拔长和号印处理。通过本发明的热处理方法和制造方法得到的合金钢锻件，机械性能一次性合格率高，减少了锻件的重复热处理，避免了燃气的浪费和产品的报废，降低了生产成本。

Description

一种合金钢锻件的制造方法和热处理方法

技术领域

本发明涉及合金钢锻件，特别涉及一种合金钢锻件的制造方法和热处理方法。

背景技术

大型矿用挖掘机中常常会应用合金钢锻件，特别是40CrNi2Mo锻件。40CrNi2Mo钢是典型的Cr-Ni系中碳合金钢，由于具有高强度、高淬透性、综合力学性能好等优点而被广泛应用，常用于制造如泵轴、压气机轴、曲轴、连杆等承受冲击及循环载荷的大型重要零件。

在实际生产中发现，经过传统热处理工艺得到的40CrNi2Mo钢的性能有时不稳定，会出现力学性能达不到要求的现象，普遍存在冲击韧性低、强度不高等问题。为解决这些问题，通常会采取重复热处理以获得符合要求的机械性能，但这样往往会增加生产成本，延长交货期，此外会对重复热处理仍达不到性能要求的40CrNi2Mo锻件采取报废处理，造成巨大的损失。

因此，需要一种改进的热处理工艺，有效地改善合金钢锻件的力学性能，降低生产成本。

发明内容

针对上述问题，发明人经过长期的深入研究，通过改变淬火时的冷却方式，经过一次热处理即可使锻件获得符合要求的机械性能。

一方面，本发明提供一种合金钢锻件的热处理方法，包括以下步骤：

(a)淬火：将所述锻件加热、保温，然后将所述锻件先放入水中冷却，再放入油中继续冷却；

(b)回火：将所述锻件加热、保温，然后将所述锻件在空气中冷却。

在本发明的热处理方法的一个实施方式中，所述锻件在水中冷却的时间为3-4分钟，在油中冷却的时间为70-80分钟。

在本发明的热处理方法的另一个实施方式中，所述淬火中加热的温度为840-850℃，保温时间为3-4小时。

在本发明的热处理方法的另一个实施方式中，所述回火中加热的温度为570-580℃，保温时间为12-14小时。

在本发明的热处理方法的另一个实施方式中，所述淬火中将所述锻件加热至640-660℃，保温2-3小时，之后再加热至840-850℃，保温3-4小时。

在本发明的热处理方法的另一个实施方式中，所述锻件为40CrNi2Mo锻件。

另一方面，本发明还提供一种合金钢锻件的制造方法，包括对钢锭进行锻造处理，得到锻造后的锻件，以及利用前述热处理方法对所述锻件进行热处理，其中所述锻造处理包括以下步骤：

(a)对所述钢锭进行压把、倒棱和错底处理；

(b)对所述钢锭进行镦粗、拔长和号印处理。

在本发明的制造方法的另一个实施方式中，所述锻造处理的温度为850-1200℃。

在本发明的制造方法的另一个实施方式中，所述倒棱处理的压下量为30-40mm，所述锻造处理的总锻比为4-6，所述拔长处理的压下量为13-19%。

在本发明的制造方法的另一个实施方式中，所述锻件为40CrNi2Mo锻件。

通过本发明的热处理方法和制造方法得到的合金钢锻件，机械性能一次性合格率高，减少了锻件的重复热处理，避免了燃气的浪费和产品的报废，降低了生产成本。

附图说明

图1为根据本发明热处理方法一个实施方式的热处理曲线图；

图2A为根据本发明制造方法一个实施方式的钢锭变形示意图；

图2B为根据本发明制造方法一个实施方式的钢锭变形示意图；

图2C为根据本发明制造方法一个实施方式的钢锭变形示意图；

图2D为根据本发明制造方法一个实施方式的钢锭变形示意图。

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。

图1示出了本发明的热处理方法的一个优选实施方式，热处理方法包括以下步骤：(a)淬火：将锻件加热、保温，然后将锻件先放入水中冷却，再放入油中继续冷却；(b)回火：将锻件加热、保温，然后将锻件在空气中冷却。

将钢加热到临界点以上一定温度，保温一定时间，然后以适当的速度冷却获得马氏体或马氏体加贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火的目的是在工件截面上获得所需的马氏体或下贝氏体组织，提高强度、硬度和耐磨性。为此，应首先将钢加热到临界点以上的温度范围并在该温度下停留必要的时间使锻件奥氏体化，然后在大于临界点冷却速度的条件下冷却，这样才能使奥氏体不发生铁素体和珠光体转变，冷到Ms点以下时奥氏体转变为马氏体。

如图1所示，淬火中加热的温度优选为840-850℃，保温时间优选为3-4小时，从而控制锻件表面与心部的温差，防止其心部开裂，同时锻件在此温度下奥氏体化程度高，组织均匀。淬火的升温速度优选为80℃/小时。

淬火的冷却是将锻件先放入水中冷却，再放入油中继续冷却，即将加热后的锻件首先淬入冷却能力较强的水中，待锻件温度降至C曲线鼻温以下接近Ms的温度时，再将锻件淬入冷却能力相对较弱的油中继续冷却，以获得马氏体组织。经过上述处理，可保证锻件的组织完全转化为马氏体，硬度值达到最高，同时能起到细化晶粒的作用，有效地提高锻件的淬透性，而且能减少和防止锻件的淬火变形及开裂倾向，所得的锻件在具有高强度的同时具有较高的塑性和低温冲击韧性。

如图1所示，锻件在水中冷却的时间优选为3-4分钟，在油中冷却的时间优选为70-80分钟。

回火是紧接淬火的一道热处理工艺，大多数淬火钢都要进行回火。回火的目的是为了稳定组织，减小或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合，以满足不同工件的性能要求。常用的回火工艺包括低温回火(温度<250℃)、中温回火(温度300-500℃)和高温回火(温度>500℃)，其中淬火后高于500℃的高温回火，获得回火索氏体，此工艺又称调质处理(淬火和高温回火的综合热处理工艺)，主要用于中碳结构钢工件，使钢的强度、塑性、韧性达到恰当的配合，具有良好的综合力学性能。

如图1所示，回火中加热的温度优选为570-580℃，保温时间优选为12-14小时，从而消除锻件淬火时产生的残留应力，防止锻件变形或开裂，此外锻件经高温回火处理后能得到细小的索氏体组织，抗拉强度高，具有良好的塑性和韧性，获得最佳的材料综合力学性能。

此外，在淬火加热过程中，当锻件加热至650℃左右时，锻件表面已经入塑性状态，而锻件心部的温度此时只有350-500℃，仍处于弹性状态，若直接升温至预定的淬火温度，锻件很容易在心部形成裂纹或使原有的裂纹扩大。因此，在淬火加热过程中，还可先将锻件加热到640-660℃，保温2-3小时，之后再升温至840-850℃，然后再保温3-4小时，如此可有效地控制锻件表面与心部的温差。

另一方面，本发明的合金钢锻件的制造方法包括对钢锭进行锻造处理，得到锻造后的锻件，以及利用前述热处理方法对锻件进行热处理，其中锻造处理包括以下步骤：

(a)第一火，对钢锭进行压把、倒棱和错底处理；

(b)第二火，对钢锭进行镦粗、拔长和号印处理。

锻造的温度需控制在一定的范围内，温度过高会造成表面过热脱碳等现象，而温度过低会造成产品内部裂纹。在本发明中，锻造的温度范围优选为850-1200℃。

图2A-图2D示出了钢锭在锻造处理过程中的变形过程。

在第一火中，压把的目的是压出一台阶，方便翻料机兜住钢锭，为后面的工序做准备；倒棱的目的是是钢锭进行预变形，减少心部开裂的危险，倒棱时压下量优选为30-40mm；错底是为了克服钢锭底部缺陷、杂质比较多的问题。钢锭经过第一火后的形状如图2A所示。

第二火的目的是破坏铸态树枝状组织，细化内部组织晶粒，增大材料强度，提高锻件的韧性和抵抗破坏的能力，其中锻造的总锻比优选为4-6，拔长压下量优选为13-19%。

钢锭经过镦粗后的形状如图2B所示，钢锭经过拔长后的形状如图2C所示，钢锭经过号印后的形状如图2D所示。

在镦粗工艺中还可增加上顶镦帽，改善第二火中圆柱坯料的内部应力状态，将钢锭侧面的鼓度减小，从而有效地弥合坯料内部缺陷，提高锻件整体质量水平。经过上述处理的轴类锻件合格率从78%提升至92%。

上述合金钢锻件优选为40CrNi2Mo锻件，特别是大型矿用挖掘机用的40CrNi2Mo锻件，但不限于此。

以下通过实施例对本发明作进一步地详细说明。

实施例1

采用40CrNi2Mo钢锭，在850-1200℃的锻造温度下，对钢锭分别进行压把、倒棱和错底处理，倒棱时压下量为30-40mm；

对错底处理后的钢锭进行镦粗、拔长和号印处理，得到锻成的锻件，其中锻造的总锻比为4-6，拔长压下量为13-19%；

将锻件放入650℃的淬火炉中保温2小时；

以80℃/小时的升温速度，将锻件加热至840℃，保温3小时，之后将锻件从淬火炉中取出，在水中冷却3分钟，再在油中冷却71分钟；

将冷却后的锻件放入570℃的回火炉中保温12小时，之后在空气中自然冷却；

对所得到的锻件进行力学性能测量，检测结果见表1。

实施例2

采用的钢锭和锻造处理的过程与实施例1相同；

将锻件放入650℃的淬火炉中保温2.5小时；

以80℃/小时的升温速度，将锻件加热至845℃，保温3.5小时，之后将锻件从炉中取出，在水中冷却3分钟，再在油中冷却75分钟；

将冷却后的锻件放入580℃的回火炉中保温13小时，之后在空气中自然冷却；

对所得到的锻件进行力学性能测量，检测结果见表1。

实施例3

采用的钢锭和锻造处理的过程与实施例1相同；

将锻件放入650℃的淬火炉中保温2小时；

以80℃/小时的升温速度，将锻件加热至850℃，保温3.5小时，之后将锻件从炉中取出，在水中冷却3分钟，再在油中冷却80分钟；

将冷却后的锻件放入580℃的回火炉中保温12.5小时，之后在空气中自然冷却；

对所得到的锻件进行力学性能测量，检测结果见表1。

实施例4

采用的钢锭和锻造处理的过程与实施例1相同；

将锻件放入650℃的淬火炉中保温2.5小时；

以80℃/小时的升温速度，将锻件加热至845℃，保温3.5小时，之后将锻件从炉中取出，在水中冷却3分钟，再在油中冷却75分钟；

将冷却后的锻件放入580℃的回火炉中保温14小时，之后在空气中自然冷却。

对所得到的锻件进行力学性能测量，检测结果见表1。对于40CrNi2Mo锻件的力学性能，目前的国家标准还没有具体的规定，常用的40CrNi2Mo锻件的力学性能标准见表1。

表1实施例1-4的锻件的力学性能测试结果和常用力学性能标准

注：拉伸试样尺寸：

10mm，冲击试样尺寸：10×10×55mm

从表1中可以看出，经过本发明的热处理方法处理过的锻件，各项力学性能均达到预定的标准。

综上所述，通过本发明的热处理方法和制造方法得到的合金钢锻件，机械性能一次性合格率高，减少了锻件的重复热处理，避免了燃气的浪费和产品的报废，降低了生产成本。

本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种合金钢锻件的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)淬火：将所述锻件加热、保温，然后将所述锻件先放入水中冷却，再放入油中继续冷却；

(b)回火：将所述锻件加热、保温，然后将所述锻件在空气中冷却。

2.根据权利要求1的热处理方法，其特征在于，所述锻件在水中冷却的时间为3-4分钟，在油中冷却的时间为70-80分钟。

3.根据权利要求1的热处理方法，其特征在于，所述淬火中加热的温度为840-850℃，保温时间为3-4小时。

4.根据权利要求1的热处理方法，其特征在于，所述回火中加热的温度为570-580℃，保温时间为12-14小时。

5.根据权利要求1的热处理方法，其特征在于，所述淬火中将所述锻件加热至640-660℃，保温2-3小时，之后再加热至840-850℃，保温3-4小时。

6.根据权利要求1至5中任一项的热处理方法，其特征在于，所述锻件为40CrNi2Mo锻件。

7.一种合金钢锻件的制造方法，其特征在于，包括对钢锭进行锻造处理，得到锻造后的锻件，以及利用根据权利要求1至6中任一项的热处理方法对所述锻件进行热处理，其中所述锻造处理包括以下步骤：

(a)对所述钢锭进行压把、倒棱和错底处理；

(b)对所述钢锭进行镦粗、拔长和号印处理。

8.根据权利要求7的制造方法，其特征在于，所述锻造处理的温度为850-1200℃。

9.根据权利要求8的制造方法，其特征在于，所述倒棱处理的压下量为30-40mm，所述锻造处理的总锻比为4-6，所述拔长处理的压下量为13-19%。

10.根据权利要求7-9中任一项的制造方法，其特征在于，所述锻件为40CrNi2Mo锻件。

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